Mens vs. machine: racen met robots
Volgens een recent onderzoek van de Wereldgezondheidsorganisatie (WGO) sterven er op aarde jaarlijks 1,2 miljoen mensen in een verkeersongeluk. Deze ongevallen, aldus het rapport, zijn te wijten aan menselijke fouten of nalatigheid. De technologie kan ons hier een handje helpen. De laatste jaren zijn er verschillende autonome of semi-autonome systemen geïntroduceerd in onze personenwagens die de verkeersveiligheid verhogen. Denk daarbij aan detectie van verkeersborden of adaptieve cruise control, maar ook minder zichtbare toepassingen zoals pre-crashsystemen die proactief handelen vlak voor er een ongeluk staat te gebeuren.
Omdat de betrouwbaarheid van dergelijke automatische systemen alsmaar toeneemt, lijkt de volgende logische stap voor vele autoconstructeurs te zijn om over te schakelen op volledig autonome auto’s. In sommige staten van de USA (o.a. California, Florida, Nevada) zijn zulke volledig autonome voertuigen al bij wet toegestaan. Technologiereus Google staat erom bekend met zijn omgebouwde hybridewagens actief deel te nemen aan het verkeer van Silicon Valley, zonder ongelukken te veroorzaken.
De zelfrijdende auto’s hierboven vermeld begeven zich op de baan met een snelheid van ongeveer 40km/u, andere ontwerpen rijden aan een hogere snelheid maar beperken zich tot lange, rechte wegen. Niet echt hetzelfde dus als autopiloten zoals Lewis Hamilton en co. Het ontwerp van een autonome racewagen vormt namelijk een bijzonder grote uitdaging. Het gaat hierbij niet om louter veilig rijden, maar ook de tijd waarin een traject afgelegd wordt, is van levensbelang. Hierdoor worden raceauto’s steeds bestuurd tegen de limieten van wat fysiek mogelijk is. Ook een autonoom racevoertuig moet steeds een afweging maken tussen ‘veilig’ rijden (binnen de racebaan blijven) en zo snel mogelijk een parcours afleggen (rondetijd minimaliseren).
In het onderzoek dat wij deden in samenwerking met Siemens PLM Software te Leuven, werd er bekeken of het mogelijk was een racewagen te ontwerpen die juist deze optimale afweging maakt tussen veiligheid en snelheid. Voor de experimentele testen gebruikten we modelracewagens op een racebaan op schaal 1:43. Deze autootjes worden automatisch bestuurd met de bijgeleverde afstandsbediening, die aangepast werd zodat die vanaf een computer kan worden bestuurd. Boven de racebaan hangt een kleurencamera, waarmee men de positie van de racewagen op de baan kan bepalen, alsook de oriëntatie. De camera neemt vijftig keer per seconde een beeld van de racebaan, zodat de snelheid van de wagen berekend wordt door opeenvolgende beelden van de camera met elkaar te vergelijken. Voorts is er een wiskundig model van de modelwagen voorhanden. Alle informatie benodigd om het gewenste gedrag van de wagen te behalen, is dus aanwezig op de centrale computer.
Hoe bereik je nu het gewenste rijgedrag met een zelfrijdende racewagen? De centrale component van elk autonoom systeem is de regelaar. Een regelaar zorgt ervoor dat de doelen en beperkingen, opgelegd door de ontwerper, gehaald worden. Een concreet voorbeeld: een regelaar in een zelfrijdende auto bepaalt hoeveel het gaspedaal moet ingedrukt worden en hoe scherp er ingestuurd moet worden om de volgende haarspeldbocht mooi aan te snijden. In dit geval heten het gaspedaal en het stuurwiel de ‘controle-acties’. De beperkingen leggen bijvoorbeeld op dat de wagen ten allen tijde binnen de racebaan moet blijven.
Het ontwerp van een dergelijke regelaar is niet vanzelfsprekend, maar wat een regelaar in autonome voertuigen moet doen, komt in feite hierop neer: 1. De huidige toestand van de auto (positie, snelheid, oriëntatie) wordt gemeten, 2. De controle-acties (gas, sturen) worden geoptimaliseerd voor het bereiken van het beoogde doel. Hierbij wordt rekening gehouden met de beperkingen en het toekomstige gedrag van de auto, berekend aan de hand van het wiskundig model, 3. De geoptimaliseerde controle-acties worden aangelegd op het systeem. Als men bovenstaande stappen in een lus zet en deze lus snel genoeg herhaalt (bv. vijftig keer per seconde), zal je een vlot rijgedrag waarnemen.
Als je de procedure hierboven implementeert op de computer, krijg je autonoom rijgedrag. Maar ‘het beoogde doel’ – minimaliseer de tijd op een bepaald traject – moet nog vertaald worden in wiskunde, zodat we kunnen opleggen dat de auto niet alleen veilig, maar ook zo snel mogelijk over de baan rijdt. Hiervoor gebruikten we de volgende truc. In bovenstaande formulering worden de controle-acties geoptimaliseerd over een horizon vanaf de huidige plaats van het voertuig tot een bepaald punt verder op het traject (bv. 1 meter verder). Het wiskundig model wordt gebruikt om te voorspellen hoe de auto reageert in de toekomst. Als we voorspelde tijd bekijken die de auto nodig heeft om de horizon van 1 meter af te leggen, volstaat het om deze voorspelde tijd op het eind van de horizon te minimaliseren. Zodoende bekomt men een snel traject, waarbij nog steeds aan de beperkingen van het racecircuit wordt voldaan; het autootje rijdt aan een gemiddelde snelheid van ongeveer 7km/u (snel voor een dergelijk klein autootje!) over een bochtige baan met onder andere een U-bocht, een chicane en een langere rechte passage.
De vraag of de gevonden resultaten rechtstreeks overdraagbaar zijn op echte racewagens, blijft momenteel onbeantwoord. Het grootste verschil tussen een opstelling op schaal en een levensgrote racewagen is de positiebepaling: GPS is te onnauwkeurig, en sensoren aan boord van de auto vergen een andere aanpak. Ook is er voor grotere auto’s een ingewikkelder wiskundig model nodig om met alle kenmerken rekening te houden (vering, slippen, banden, etc.).
Zullen we binnen twee jaar een robotwagen aan de top van het klassement in de Formule 1 zien staan? Waarschijnlijk niet, snel rijden in een ‘steriele’ onderzoeksomgeving is eenvoudiger dan goed presteren in weer en wind, tegen andere auto’s. En het laten valideren van de gebruikte systemen en software moet worden uitgevoerd door verschillende instanties, zeker als het op veiligheid aankomt. Dit neemt niet weg dat, zoals Formule 1 voor technologische vooruitgang zorgt in ontwerp van klassieke auto’s, ontwikkelingen in het gebied van autonome racewagens een grote impact kunnen hebben op de op til zijnde revolutie van de autonome personenwagens.
